多模光纤光栅温度传感特性的实验研究_姜德生
光纤光栅的应变和温度传感特性研究
光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一 光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二 光纤光栅传感器增敏与封装 (3)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (4)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (5)5 粘敷式敏化与封装 (7)三 光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG 与LPFG 混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一 光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。
当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。
由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。
FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。
当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。
光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。
假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器的应用概况3α姜德生,何 伟(武汉理工大学光纤中心,光纤传感技术国家重点工业性试验基地,武汉430070) 摘要:就国外光纤光栅传感器在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力工业、核工业、医学等方面的应用作了简单的综述。
关键词:光纤光栅;传感器;应用中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:100520086(2002)0420420211Rev iew of Appl ica tion s for F iber Bragg Gra ti ng Sen sorsJ I AN G D e2sheng,H E W ei(N ati onal Key Indu strial T est Base fo r F iber Op tic Sen sing T echno logyW uhan U n iversity of T echno lo2gy,W uhan430070,Ch ina)Abstract:T h is article p resen ts a system atic review in app licati on s of fiber B ragg grating sen so rs in m anydifferen t fields including civil structu res,aeronau tics and space,sh i p and m arine,o il and chem ical indu s2try,electric and unclear pow er indu stry,and m edicine in the past decades.Key words:F iber B ragg grating;Sen so r;A pp licati on1 引 言 光纤传感器种类繁多,能以高分辨率测量许多物理参数,与传统的机电类传感器相比具有很多优势,如:本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等,因此其应用范围非常广泛,并且特别适于恶劣环境中的应用。
光纤光栅温度传感器的研制----毕业设计
摘要温度，它是表征工程结构安全的重要指标。
随着科技的发展，对温度测量的精度要求越来越高。
近年来，光纤传感技术得到飞速发展，光纤光栅传感器相比传统的机械电子式传感器在工业领域的越来越显示出其优势地位。
因此设计高精度的光纤光栅温度传感器对温度进行长期、长期、实时、动态的监测，具有十分重要的意义。
介绍了光纤光栅的结构、传感原理、传感模型、传感系统和传感网络的基本组成，通过对四种光纤光栅温度传感器结构的分析，说明封装方法对光纤布拉格光栅Fiber Bragg Grating(FBG)。
FBG温度传感器特性的影响；进一步分析光纤Bragg光栅传感技术，针对“开关柜火灾报警系统”项目，分析光纤光栅温度传感器的具体设计要求和性能指标。
通过研究目前光纤光栅温度传感器封装方法的现状，分析每一种封装方法的特点，设计出一种新的光纤光栅温度传感器封装方法；对所研制的FBG温度传感器进行性能测试试验，并结合特定的工业场合分析FBG温度传感器的性能，另外还介绍了其在现场的安装方式和一些注意事项。
“开关柜火灾报警系统”的成功实施，证明光纤光栅温度传感器其性能指标完全符合工业应用的现场。
关键词：光纤光栅，传感技术，温度传感器，电力系统ABSTRACTTemperature is an important index for project structure safety.With the development of technology,the accuracy requirements of measuring temperature are increasing obviously.Recently with the rapid development of fiber sensing technology FBG sensors are showing their more and more prominent advantages in industry engineering than traditional mechanical and electrical sensors.so it is meaningful to design novel FBG-based temperature sensors to take long-time, real-time and dynamic monitor for the temperature.The structure,sensing principle,sensing model of fiber grating,and basic structure of fiber grating sensing system and sensing network are introduced in the paper.The effects of characteristics of fiber grating temperature sensor of four encapsulating methods are analyzed in my paper. Through deeply study on the FBG sensing technology,the design requirements of FBG temperature sensor are illustrated,according to the practical needs in engineering of Switchgear Fire Alarm System,learning from the research on the current status of FBG temperature sensor encapsulation,and the characteristics of existed encapsulation structures,a new encapsulating method has been designed.The performance test of the made FBG temperature sensor has been made, which is not only in lab, but also in some specific industries occasions.The way of installation of the FBG temperature sensor in the field and some notes in that progress are also described in the paper.The performance indicators of FBG temperature sensor consistent with the field of industrial applications completely are verified with the successful implementation of the engineering of Switchgear Fire Alarm System.KEY WORDS: fiber grating,sensing technology,temperature sensor,electric power system目录摘要 (I)ABSTRACT ......................................................................................................................... I I 第一章绪论 (1)1.1温度测量现状 (1)1.1.1 温度测量技术介绍 (1)1.1.2 温度传感器 (3)1.2光纤光栅传感技术的应用现状 (4)1.3主要研究内容 (6)第二章光纤光栅传感的基本理论 (8)2.1光纤光栅结构及传感原理 (8)2.2光纤光栅传感模型 (9)2.2.1 应变传感器模型 (10)2.2.2 温度传感器模型 (10)2.3光纤光栅传感系统和传感网络基本构成 (11)2.3.1 传感检测系统 (11)2.3.2 传感网络 (11)2.4光纤光栅温度传感器特性 (12)2.4.1 光纤光栅温度特性 (12)2.4.2 实际光栅温度传感器的温度特性 (13)2.4.3 光纤光栅温度传感器的传感原理 (13)2.5小结 (14)第三章光纤光栅传感器的研制 (16)3.1光纤光栅温度传感器封装结构的研究现状 (16)3.2光纤光栅温度传感器的设计要求 (17)3.3实验装置及方法 (18)3.3.1实验装置 (18)3.3.2实验方法 (19)3.4实验数据处理方法 (20)3.4.1 传感器的特性分析与技术指标 (20)3.4.2 实验数据处理方法 (22)3.5光纤光栅温度传感器结构的设计 (22)3.5.1 封装结构的提出 (22)3.5.2 对封装方法的进一步改进 (26)3.6封装结构对灵敏度影响的分析 (27)3.6.1光纤光栅温度特性实验 (27)3.6.2实验数据分析 (29)3.7封装工艺对传感器性能影响的分析 (30)3.7.1 传感器性能对比实验 (30)3.7.2 实验数据分析 (30)3.8其他性能指标的测试结果说明 (31)第四章光纤光栅传感器在电力系统测温中的应用 (34)4.1光纤光栅电力测温系统的组成 (34)4.1.1 光纤光栅测温系统组成 (34)4.1.2 FBG测温系统在开关柜上的具体组成部分 (35)4.2光纤光栅电力测温系统的特点 (36)4.3光纤光栅电力测温系统的技术指标 (36)4.4电力测温中光纤光栅传感器与传统传感器的比较 (37)4.5光纤光栅测温在电力系统中的应用范围 (37)4.6FBG温度传感器的现场安装方式 (39)4.6.1 光纤光栅温度传感器的安装方式 (39)4.6.2 传输光缆的安装方法 (40)4.7小结 (41)第五章总结和展望 (42)5.1总结 (42)5.2展望 (42)参考文献 (44)第一章绪论1.1 温度测量现状温度作为七大基本物理量之一，它是表示物质冷热程度的物理量，与我们的生活息息相关，小至与我们生活环境相关的环境温度，大至在工程上比如发电厂、城市供配电网中，温度的监测越来越重要，然而由于电缆用量越来越多，要是温度监测不够精确，电缆接头温度过高往往都可能成为电缆火灾的元凶，电缆接头过热引起的电缆断路、短路、爆炸甚至引发重大火灾事故的案例屡见不鲜[1]。
多模光纤光栅温度特性研究
结论 本文对布拉格波长为1310 nm的多模光纤光栅的温度特性进行了实验研究,表明 多模光栅的布拉格波长随温度的变化呈现良好的线性关系,与理论分析吻合;多模光纤 光栅实验的重复性优良,其特性与单模光纤栅的传感特性接近相同,故可以用多模光纤 光栅可以降低传感器产业化成本;由于多模光纤光栅具有多峰结构的特点,有可能解决 一直困扰单模光纤光栅温度与应力交叉敏感的问题[10～13 ]与光栅解调中匹配光栅易 受外界因素影响的问题,这对于光栅解调仪很有用处,故对多模光纤光栅的研究具有十 分重要的意义。
对掺锗的石英光纤d n1/ d T 和d n2/ d T 在波长为589 nm时为1 ×10 - 5 ℃- 1 。 热膨胀系数α= (dΛ/ d T) / Λ为0. 55 ×10 - 6 [1 ,9 ] 。参照以上数据,可得到(5) 式右 边第一项要比第二项和第三项小一个数量级。这说明对温度灵敏度的影响受折射 率的变化要比热膨胀显著。文献[ 7 ]推导的方程计算得到温度灵敏度dλ/ d T 随N 的变化最大不超过1. 3 %。本文对(4)式重新进行推导得到方程(5) 式,经过计算得 到温度灵敏度dλ/ d T 随N 的变化最大不超过0. 07 %。因为这些值很小,所以各模 式反射波的温度灵敏度几乎是一样的,即多模光纤光栅的多个反射峰的布拉格波 长随温度变化的漂移幅度是相同的。 实验过程 实验采用长飞光纤光缆公司生产的渐变型多模光纤,纤芯直径为50μm ,数值孔 径为0. 2 ,包层直径为125μm。为了提高多模光纤的光敏性,将多模光纤置于氢气高 压器中,在常温下渗氢(载氢) 两周。我们采用相位掩模板复制法制作多模光纤光栅, 写入光栅的紫外光源为波长248 nm的准分子激光器(德国Lambda Physik 公司的 COMPEX 150T 型) 。多模光纤光栅写好后在80 ℃温度下退火48 h就得到实验用的 多模光纤光栅。温度传感特性的实验装置如图1 所示。光源为1300 nm的超发光 二极管(SLED) ,型号为5S423 ,带宽为50 nm左右,功率为100μW;OSA(Optical spectrum analyzer)为AQ26317B 光谱仪,波长分辨率设置为0.05 nm。光纤布拉格光栅置于恒 温控制箱中。光源发出的宽带光经光分路器(coupler) 耦合进多模光纤光栅,光栅 反射回来的光再经过光分路器传输到AQ26317B 光谱仪进行反射数据检测;或者从 光纤光栅的另一端直接接光栅反射光的布拉格波长λB满足如下公式： λB=2neff*Λ （ 1） ，式中Λ 为光栅的周期，neff为光线的固有折射率。当光栅的温度发生变化时。光栅的折 射率和光栅的周期都会放生变化，从而形成了一个新光栅的折射率和周期，似 的原来的光纤光栅的布拉格波长发生漂移。布拉格波长也随温度的变换的关系 如下： ∆ λ=（α+ξ）* ∆T* ∆λB （ 2） 温度灵敏度公式： ∆ λ/ ∆T= （α+ξ） * λB （3） ∆ λ表示温度变化造成的λB漂移温度，α为光纤材料的热膨胀系数，描述光栅的 有效折射率随温度的变化； ∆T温度变化量。 Δλ与ΔT 之间呈现线性关系,通过测量光纤光栅反射波长的移动Δλ,便可确定光栅 外的环境温度。对于石英光纤通常α为0. 55 ×10- 6 ℃- 1 ,ξ为7 ×10- 6 ℃- 1 , 通过 计算得到布拉格波长为1310 nm 多模光纤光栅的温度灵敏度为0. 01 nm/ ℃。 多模光纤光栅的反射波为多峰结构,并满足下列 关系[4 ,8 ] : β =2πλn1 1 - 4ΔN + 1V , (4) β为传播常量; n1 为芯径的折射率;Δ为相对折射率之差; N 为主模的阶数;ν 为归一 化频率(ν =2παNA/λ) 。(4) 式根号中第二项比1 小得多,数值孔径NA = n1 2Δ, 当满 足布拉格条件时有β=π/ Λ。通过对(4) 式进行微分化简整理后可得到
基于光纤传感技术对天然气储罐泄漏温度场变化的监测
基于光纤传感技术对天然气储罐泄漏温度场变化的监测张水平;张祖昆【摘要】In order to study the temperature variation regularity of the leakage diffusion of vertical natural gas storage tanks, fiber winding arrangement for vertical natural gas storage tanks is simulated based on the positioning principle of distributed optical fiber temperature sensing technology. By transforming the light-electric signal, the change of temperature field around the surface of the vertical natural gas storage tanks is revealed during the leakage period. According to the temperature curve graph, when there is leakage of the liquid gas, the variation regularity of the temperature field of the tank exterior wall is obtained. The results show that, when leakage occurs, the temperature decreases markedly. Gasification and absorption of heat caused by the liquefied natural gas leakage will lead to the decrease of exterior temperature of the storage tank. Therefore, the time and location of the storage tank leakage can be decided according to this temperature curve graph.%为了研究立式天然气储罐的泄漏扩散温度变化规律,基于分布式光纤温度传感技术定位原理,对立式天然气储罐进行模拟光纤缠绕布置.通过光-电信号的转化将泄漏时期立式天然气储罐表面的温度场变化情况展现出来.然后根据温度曲线变化图,得出当储罐中发生液态天然气泄漏时储罐外壁温度场的变化规律.最后进行分析并得出结论:通过光纤监测所得的温度曲线在储罐泄漏时刻出现明显下降.由于只有液化天然气泄漏发生气化吸热,才会导致储罐外壁温度出现明显降低,因此可以判定该时刻立式液化天然气储罐发生泄漏,并且可以准确找出泄漏区域.【期刊名称】《江西理工大学学报》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】6页(P97-102)【关键词】光纤温度传感技术;天然气储罐;温度场分析;泄漏监测【作者】张水平;张祖昆【作者单位】江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州 341000;江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州 341000【正文语种】中文【中图分类】TP212;TE972当今社会，化石能源仍在世界能源分布利用中占主导地位，天然气作为其中的一种低碳能源，发挥着越来越重要的作用.中国已经成为天然气消费增长最快的国家，是世界第三大天然气消费国.近几年来，我国天然气储量与产量双双快速增长，天然气工业进入快车道.由于中国对天然气的需求每年都在增加，天然气的储量每年也在递增，因此建立天然气战略储备已经成为当务之急，战略储备可以使我国的经济和政治稳定，不会受到人为天然气供应的影响.大型储罐已经成为天然气战略储备中最重要的设施.但天然气储罐却是一个潜在的危险源，天然气储罐作为易燃易爆的高危场所，保证它的安全运行对国民经济的发展具有重大意义.罐内温度一旦较高或过高，会造成天然气的能量损失和火灾爆炸危险，罐内的温度较低或过很低可能产生凝罐，因此天然气储罐安全运行的重要性和紧迫性更为突出.必须采用有效的安全监控措施，及时发现安全隐患和最大限度的减少灾害造成的损失[1-2]. 武汉大学姜德生教授曾利用光纤传感技术对大型储油罐的泄漏进行了模拟研究，并且已经取得了一定的成果，可以监测储罐内液位和压力.其所得到的测量结果准确，精确度高，能够将罐中的信息传递出去，给相关部门对储罐内气体或液体泄漏后的人员的疏散和抢修，及对储罐安全的监控提供参考.但由于现在大部分监测手段都不能做到对立式天然气储罐温度场进行实时的在线监测，并且监测化费成本过高，以至于大多中小型企业基于成本的考虑无法接受.文中基于光纤温度传感技术对立式天然气储罐泄漏模型的温度场进行泄漏监测实时数值模拟，通过合理的布置感温光纤，及运用光纤传感技术中光-电信号转化的原理，模拟监测液化天然气储罐的运行状况.一旦储罐发生泄漏事故可以及时并准确的找出其泄漏口区域，得出距离泄漏口不同距离区域的温度曲线变化趋势图.最后由于该技术所需布置的光纤制造成本不高且实用性强，另外该监测技术是通过光纤温度传感技术来进行测温，可以保证整个罐区的监测都是在不带电环境的前提下进行实时泄漏监测.如果可以应用不但可以减少企业的运营成本和投资成本，还可以保证企业的安全生产井然有序，满足广大石化企业对天然气储罐进行实时在线的天然气储罐泄漏监测的需求，并且为采取应急救援措施提供有力的参考依据[3].光纤温度传感技术具有实时监测、定位准确、成本低廉、本质安全、重量轻、体积小、可挠曲、施工简单、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、抗高压、防雷击并且监测覆盖面积大对被测介质影响小等优点.在泄漏监测方面，光纤温度传感技术的优势使其可以在大多数场合下代替传统的安全监测手段.它可以在很多较为恶劣的环境下提供多种参量的新的可靠的监测手段；并且其检测本身属于无电检测，该项技术属于本质安全型.另外光纤温度传感技术对泄漏位子的定位可以精确到±0.5 m左右，在各种测漏方法中定位精度最高，而且系统响应时间在15 s以内；可以及时的提醒安全监测人员及时的处理泄漏事故；最后光纤温度传感技术所检测的温度结果精度高，温度分辨率可达0.1℃；温度精度可达±1℃[4-5].2.1 立式液化天然气储罐监测系统该系统主要包括测温主机电脑、监测软件、立式天然气储罐模型、感温光纤（采用50/125碳纤维内加热多模光纤，外径3 mm）及报警系统[6].整个光纤监测实验系统如图1所示.2.2 液化天然气泄漏模型及边界条件以液化天然气储罐的泄漏口泄漏模式为研究对象，因为泄漏是发生在液相区，故必然是纯液体泄漏（液相泄漏).设定发生泄漏时周围介质场温度保持不变，压力保持不变，泄漏介质为液化天然气，不发生两相对流，且液体处于稳定状态，假定液化天然气储罐不受其他外力作用.假设泄漏口处于储罐顶部以下h处，储罐内的液体表面压力为Pg，g取重力加速度，外界表压为0，外界温度为20℃，流体流速为0；则根据流体力学伯努利方程对其泄漏的瞬时质量流量进行计算[7]：式（1）中，Q：液体的泄漏速率，kg/s；ϑ1：液体泄漏系数，通常取0.6～0.64，文中取0.6；A0为泄漏口面积，泄漏口半径为20 cm，故A0取值为4×10-4πm2；ρ为泄漏液体密度，液化天然气的流体密度为1.1 t/m3；P为储罐内的截止压力，Pa；P0为环境压力，Pa；通常情况下常压液体储罐的内外压一致固有P=P0；g为重力加速度，9.8 m/s；h为泄漏口处上方液位高度，m（因该处罐体内已经注满液化天然气故此处h为泄漏口距离储罐顶部距离）.随着泄漏的不间断发生，储罐内气体逐渐减少，泄漏口上方液体高度不断减小，同时泄漏速率和储罐中的液体的质量流量也会不断减小.当液面低于泄漏口时泄漏便逐渐停止；假设P0为常数，对于恒定的截面积为At、初始高度为h的天然液化气储罐，则在泄漏发生后t时刻储罐内的质量流量为因为在初始时刻hL=h，但在t时刻，储罐泄漏口上方的液面高度为：由式（1）和式（3）即可推出，t时刻泄漏的液化天然气质量为：根据《液化天然气储罐技术手册》设定60 s内为最佳响应报警时间，则需根据t时间内的泄漏量计算t时间内泄漏口处温度场变化范围的大小来合理确定两段光纤的布置间距.因泄漏口形状规则（文中泄漏口为圆形），且泄漏口尺寸以及液化天然气的热力学、物理化学性质和参数可以通过查阅相关参数图表获得，则可以通过流体力学中的有关方程式进行计算.液化天然气泄漏过程中遵循质量守恒，能量守恒和动量守恒方程.质量守恒方程（连续性方程）：动量守恒方程：能量守恒方程：式（7）中：公式（5）中的Sm是从分散的二级相中加入到连续相的质量（比方说由于液滴的汽化蒸发），也可以是任意自定义源项，如果没有源项则Sm取值为0；而E包含了其他的模型相关源相，如多孔介质和自定义源项.Sh包括其他用户所定义的体积热及化学反应热源项.再根据分子聚集理论结合Clausius-Clapeyrom方程得出：其中Δh为气化热，R为气体常数，Tc为转换临界温度Tr（液化天然气发生气化的温度在-160℃）、m，n是与温度及分子聚集现象相关的参数，在此取定值，而f是温度的函数：式（10）中a=1.66，b=0.76；，由汽化放热的热力值决定.表1是液化天然气及其他气液体的常规参数.结合公式（5）～（10）可以算得液化天然气气化潜热为560 J/kg2.3 泄漏发生后口周边温度场的变化及两端光纤之间的距离模型当储罐外壁某位置发生液化天然气泄漏时，其泄漏口周边空气温度场产生的变化如图2所示.将泄漏口周边空气范围看作是半无限大的，并且假定周边空气与泄漏的液化天然气的主要传热方式仅为热传导（如图2所示），那么泄漏口周边空气与液化天然气之间的传热方程可以依照傅里叶fourier导热方程列出[8-10]：式（11）中：kg为空气的热扩散系数，m2/s；Tg为周边空气的温度，K；t为周边空气与泄漏液化天然气接触的时间，这里表示泄漏持续的时间，s；z为泄漏口周边空气与泄漏口的距离.因本次模拟假定周边空气初始温度为T0（20℃，293 K），周边空气和液化天然气间的传热量与空气和液化天然气的温差成正比，因此初始条件可以写成为下列形式：式（12）中：Tg，0为周边空气瞬时温度，K；Tl，or，c为与空气接触的液化天然气冷气云的温度，K；h为液化天然气冷气云与空气间的传热系数，W/（m2·K）;λg为空气的导热系数，W/（m·K）[11].对式（12）采用θ＝Tg－Tl，or，c进行变量变换，并对变量变换后的半无限大传导方程解析求解，得到泄漏口周边空气随着时间变化关系式：由于其中ρg为空气的密度（1.293 g/L）；erec（）为高斯误差补函数；cg为空气的比热容.从实际情况来说，在储罐发生泄漏的时间范围内，与空气接触的液化天然气对周边温度场的影响范围是有限的，不可能是∞[12].就本次液化天然气储罐泄漏模拟所设定的边界条件来看，预定监测信号为60 s，在60 s内发生泄漏的液化天然气其所引起降温的范围也是有限的，本次模拟设定温度变化T℃为报警阈值，故为了加合理的布置光纤，文中涉及计算泄漏60 s内液化天然气气化与空气混合而导致周边温度场下降温度≥T℃的降温半径R，并将2R作为是两段光纤之间的距离，根据引入了泄漏口周边空气瞬时温度Tg，0，可以按照Kunsch等推荐的近式公式来表示[13]：式（17）中Tl，or，v取设定的下降报警阈值温度；T1为光纤上第一个光纤温度传感器所测的实时温度；Tm+1-Tm-1为光纤上距离差一的光纤温度传感器所测的实时温度之差.根据计算所得出的R可以确定两段光纤之间的所隔距离，由于光纤为均匀缠绕在储罐外表面，故由罐高H/2R=N为罐体所需缠绕光纤的圈数；由于每一圈缠绕光纤周长为储罐底面周长L，故M= N×L为所需光纤总长[14].由于液化天然气储罐发生泄漏情况皆属于针孔型泄漏（泄漏面积极小），泄漏面积一旦过大储罐将会发生大面积破裂进而导致储罐失效.文中所选取的泄漏口位置恰好位于两段测温光纤中间，因此无论从泄漏口形状（针孔状)还是泄漏口的位置来考虑都是极具有代表性的.利用Fluent软件对立式液化天然气储罐发生泄漏情况时期的泄漏过程进行数值模拟（模型如图3），数值模拟边界条件设定立式液化天然气储罐模型为规则圆柱体，储罐高H为20 m，储罐半径为6.18 m，底面积S为120 m2，泄漏口为规则圆形，泄漏口面积为10 cm2，泄漏口高度为8.6 m（第5段和第6段光纤中间），故储罐容积V=底面积S×罐高H=2400 m3，将其转化为液化天然气质量为2640 t，环境温度为20℃（293.15 K），计算区域为长40 m，宽30 m，高15 m的长方体区域.进行模拟之前假定泄漏口处及周边的空气在泄漏过程中不与周边空气发生热任何化学反应，只与泄漏的液化天然气发生热交换反应，且在发生泄漏的过程中泄漏口面积恒定不变.由泄漏模型公式可以计算出液化天然气储罐泄漏时的质量流速为0.734 kg/s，两段光纤之间距离2R=0.769×2=1.54 m，共需缠绕13圈，因储罐周长38.81 m，故使用光纤总长为13×38.81=504.5（m），报警阈值温度T1，or，c为15℃.设定为好边界条件好开始进行数值模拟，模拟结果如图4.根据图4可以看出，立式液化天然气储罐在发生泄漏60 s后，泄漏口处热源对周边温度场影响的等温线成球面形状，且距离泄漏口越远温度下降越慢.而从图5和图6可以看出在泄漏发生后泄漏口周边温度场总体呈现下降趋势，但根据距离泄漏口的距离差距其下降趋势有明显不同，在泄漏口处在15 s内温度即下降至0℃以下，并最终稳定在-3.6895℃左右；但在距离泄漏口R处其温度下降就不如泄漏口处剧烈，在60 s内下降温度5℃，并在100 s内趋于稳定状态.由于设定的报警阈值温度Tm+1-Tm-1为5℃，响应时间为60 s，既每60 s内光纤光栅会发出光信号对储罐外壁进行测温，由于泄漏发生后R处温度在60 s内已经下降≥5℃，故该时刻便会其启动报警装置，我们可以根据测温光纤所获得温度变化信息得知是那一段光纤区域发生泄漏.为准确找出泄漏点提出数据参考.当立式液化天然气储罐一旦发生泄漏，监测主机将会立即接收到由通信光纤所传输的光信号，并上传给终端进行解析，此时在用户软件界面将会得到针对泄漏口区域温度场的实时监测图（如图7），并且通过报警系统向安全操作人员发出报警信息，以确保安全工作人员及时对泄漏进行安全处理，避免发生事故.根据数值模拟结果可以看出在储罐发生泄漏后储罐泄漏口的外壁表面温度场发生明显变化，并且温度发生大幅度下降，下降速率较高，因此可以准确的判断出引起储罐外壁温度场产生变化的原因一定是储罐内液化天然气发生泄漏从而导致液化天然气气化吸热所造成储罐外壁温度场下降，而非其他原因.最后根据数值模拟所得结果准确找出泄漏口区域，通过及时发送报警信息为企业安全工作人员及时发现和处理泄漏事故提供数据保障，避免发生安全事故，并且可以提升经济及社会价值.【相关文献】[1]戚文明.光纤分布式测温系统及在火力发电厂中的应用前景[J].吉林电力，2003，12(2):112-115.[2]解家泽.消防领域分布式光纤测温系统的工程运用[J].中国新技术新产品，2010，27(6):19-21.[3]王玲.光纤温度传感器在温度测量中的应用价值[J].价值工程，2011，29(3):154-158.[4]柴敬，袁强，王智贤，等.物理模型实验光纤测试方法应用进展[J].工程地质学报，2015，23(6):41-45.[5]程英.基于分布式光纤的煤矿测温系统的研究[D].沈阳:辽宁工程技术大学，2012.[6]张晓微，刘锦昆，陈童颜，等.基于分布式光纤传感器的管道泄漏监测实验研究[J].水利与建筑工程学报，2016，3(1):1-6.[7]潘旭海，蒋军成.事故泄漏源模型研究与分析[J].南京工业大学学报，2011，24(1):105-110.[8]潘越，郭敬博.国外大型浮顶储罐泄漏性实验技术探讨[J].石油工程建设，2011，35(5):64-67.[9]张瑞华，陈国华，张文海，等.油库储罐泄漏危险程度定量模拟评价应用研究[J].油气储运，2004，23(10):4-7.[10]朱贤生，刘全桢，宫宏.外浮顶储罐系统泄漏源模型研究与分析[J].石油化工安全环保技术，2011，25(2):26-30.[11]NB/T 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光纤Bragg光栅温度传感器温敏实验
光纤Bragg光栅温度传感器温敏实验【摘要】油气田生产测井一个重要任务是测量温度参数。
而由于光纤bragg光栅温度传感器的固有优点，是最热门的油气井下常规温度传感器的潜力替换产品。
将光纤光栅用少量环氧树脂胶粘贴于膨胀系数和光纤相等的特殊材料上，制成温敏元件。
根据油气井下温度的范围，设计了35-105℃裸光纤bragg光栅温度传感特性实验，采用精度±1℃的温控箱进行加热，每隔10℃测量一点，每点温度间隔至少15分钟，无论是温度上升还是下降，温度和中心波长的线性关系都很好，上升时r2=0.9999，下降时r2=1；另外，上升时光栅灵敏度为10pm/℃，下降时光栅灵敏度为9.8 pm/℃，与理论相差很小，说明所封装的温度传感器在35～105℃的工作温度范围内性质稳定，可用于实际油气井动态温度监测。
【关键词】光纤光栅温度传感特性封装1 前言光纤bragg光栅由于其在温度参数测量方面固有的优点，越来越受到业内专家的重视[1-4]。
本文设计了一种光纤bragg光栅温度传感器，对其在35～105℃温度条件下的进行温敏实验。
2 光栅结构及传感原理利用紫外激光的干涉条纹在一定范围内照射具有光敏性的光纤，可使该段光纤纤芯的折射率发生永久周期性的改变，形成光纤bragg光栅。
bragg光纤光栅从本质上来说相当于一个窄带滤波器，当具有一定波谱范围的入射光传输到光纤bragg光栅时，光栅就会把满足bragg条件的、且被外界环境参量（如温度、压力、应力、流量等）调制过的入射光反射回来，通过对反射光谱进行解调，即可获得所需（压力、温度）信息，其结构如图1所示。
3 温度传感器封装结构本次实验选用的基底为圆形，材质采用膨胀系数和光纤相等的特殊材料，长度10cm，直径3cm。
为了使裸光栅能更好地和基底接触，受热均匀，可在圆形基底上划一个3mm深，1mm宽的小槽，裸光纤bragg光栅用少量环氧树脂胶均匀粘贴在凹槽内。
在对温度传感器封装过程中，应对裸光纤光栅施加适当的预应力，并适当加热，防止光纤光栅因胶凝固使中心波长减小。
光纤光栅温度传感器 报告
波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》课程作业报告提交时间： 2011年10月 27 日1 研究背景 （执笔人： ）被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。
光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。
基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为：2B eff n λ=Λ式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。
这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势：（1）抗干扰能力强。
由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。
这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。
（2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。
（3）测量结果具有良好的重复性。
（4）便于构成各种形式的光纤传感网络。
（5）可用于外界参量的绝对测量。
（6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。
（7）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。
由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
但是它也存在一些不足之处。
因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。
光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材料的结构和载荷，探测其损伤的传感器。
光纤光栅传感器的温度灵敏度研究
光纤光栅传感器的温度灵敏度研究一、光纤光栅传感器概述光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅的特性来检测物理量变化的传感器。
与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰能力强、尺寸小、重量轻、可实现分布式测量等优点。
光纤光栅传感器通过在光纤中写入周期性的折射率变化来形成光栅，当外部环境发生变化时，光栅的周期或折射率也会随之变化，从而引起反射或透射光的波长发生变化，通过测量这些变化可以检测出温度、压力、应力等物理量。
1.1 光纤光栅传感器的工作原理光纤光栅传感器的工作原理基于光的干涉和衍射现象。
当光波在光纤中传播时，遇到光栅结构会发生衍射，产生多个衍射级。
这些衍射级相互干涉，形成特定的反射和透射光谱。
当光栅的周期或折射率发生变化时，衍射光谱也会相应地移动，通过测量光谱的移动量，可以推算出外部环境的变化。
1.2 光纤光栅传感器的分类根据光栅的类型，光纤光栅传感器可以分为布拉格光栅传感器、长周期光栅传感器和光纤布拉格光栅传感器等。
根据测量的物理量，又可以分为温度传感器、压力传感器、应力传感器等。
每种类型的传感器都有其独特的优势和应用场景。
二、光纤光栅传感器的温度灵敏度研究温度是光纤光栅传感器中最常见的测量对象之一。
温度的变化会影响光纤的折射率，进而影响光栅的周期和反射光谱的位置。
因此，研究光纤光栅传感器的温度灵敏度对于提高测量精度和应用范围具有重要意义。
2.1 温度对光纤光栅传感器的影响温度的变化会引起光纤材料的热膨胀和折射率的变化，从而影响光栅的周期和波长。
这种影响可以通过温度系数来量化。
不同的光纤材料具有不同的温度系数，选择合适的材料可以提高传感器的温度灵敏度。
2.2 提高温度灵敏度的方法为了提高光纤光栅传感器的温度灵敏度，研究者们提出了多种方法，包括优化光栅的参数、使用特殊的光纤材料、采用复合光栅结构等。
这些方法可以有效地提高传感器对温度变化的响应速度和精度。
2.3 温度灵敏度的测量与标定温度灵敏度的测量通常采用实验方法，通过将传感器暴露在不同温度下，测量反射光谱的变化，从而计算出温度灵敏度。
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文章编号:025322239(2004)02217524多模光纤光栅温度传感特性的实验研究3姜德生 李剑芝 梅家纯(武汉理工大学光纤传感技术研究中心,武汉430070)摘要: 利用氢敏化处理的多模光纤制作了多模光纤光栅,并对多模光纤光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析,表明这种光栅三个反射峰的布拉格波长随温度变化均呈现出良好的线性关系,并且重复性相当好,同一光栅的各反射峰的理论温度灵敏度系数都等于0.01nm/℃,实验测得的温度灵敏度系数为0.0098nm/℃或0.0099nm/℃,与理论分析相当吻合,这些特性与单模光纤光栅的温度传感特性接近相同。
因此可以用多模光纤光栅代替单模光纤光栅开发光纤光栅传感器,以降低成本;这一实验结果还可以作为对多模光纤光栅进一步深入研究的参考。
关键词: 导波与光纤光学;多模光纤;布拉格光栅;温度传感特性中图分类号:TP212114 文献标识码:ATe mp e r a t u re S e ns i n g P r op e r t ies of M ul t i m ode Fi be r Gr a t i n gJ iang Des heng Li J ianzhi Mei J iachun(Fiber Op t ic Se nsi ng Tech nology Ce n ter ,Wu ha n U ni versi t y of Tech nology ,Wu ha n 430070)(Received 25November 2002;revised 21March 2003)A bs t r act : FiberB ragg grating was w ritten in hydrogenated multimode fiber ,and t hetemperat ure sensing p roperties of multimode fiber gratings are investigated experimentally and t heoretically in t his paper.Experimental res ults s how t hat t he B ragg wavelengt h of grating in multimode graded 2index fiber is linearly dependent on its temperat ure ;and its repeatability is good.The meas ured temperat ure sensitivity of each reflection peak is equal to 0.0098nm/℃;t he temperat ure sensitivit y attained f rom experimental data is tallies wit h t heoretical analysis.The characteristics are similar to t hat of a conventional B ragg grating in single 2mode fiber.So t he multimode fiber grating may replace single 2mode fiber grating to p roduce fiber sensors.The experimental res ults can also p rovide guidance for f urt her st udying on multimode fiber B ragg gratings.Key w or ds : guided wave and fiber optics ;multimode fiber ;fiber B ragg grating (FB G );temperat ure sensing characteristics 3国家自然科学基金(50179029)资助课题。
E 2mail :lijianzhigang @收稿日期:2002211225;收到修改稿日期:20032042211 引 言光纤布拉格光栅(FB G )在光纤通信和光纤传感中的许多应用,已经日益引起人们的重视。
光纤布拉格光栅是利用光纤材料的光敏特性在纤芯内形成的空间相位光栅[1],即利用紫外光曝光引起纤芯折射率的永久变化形成的光栅。
其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜,利用这一特性可构成许多独特性能的光纤传感器件[2,3]。
当光纤布拉格光栅的温度发生变化时,会引起光纤布拉格光栅的有效折射率n eff 和栅距Λ发生变化,从而导致光栅反射光的布拉格波长λB 也发生变化(Δλ),利用光纤布拉格光栅这个特性可以制作光纤光栅温度传感器。
目前几乎所有实用的光纤光栅都是单模的,由于用单模光纤光栅做传感器对光源、光探测器、光纤连接等要求都很高,所以将其产业化的成本比较高。
因为多模光纤光栅具有以下优点:1)很容易与光源耦合,可降低产业化的成本;2)具有多峰结构的特点,能够给人们提供更多的信息,这对于光纤传感很第24卷 第2期2004年2月 光 学 学 报ACTAOPTICA SIN ICAVol.24,No.2February ,2004有利。
目前中心波长为1550nm的超发光二极管在国内没有生产,国外也只有少数厂家可以生产,价格高昂,而中心波长为1310nm的发光管或超发光二极管相对来说比1550nm的发光管便宜得多,有利于光纤传感器的产业化。
故对布拉格波长为1310nm的多模光纤光栅的研究具有重要意义。
近年来国外已分别报道了布拉格波长为753nm和1550nm多模光纤光栅的传感特性[4,5],在国内还未见此类的报道。
本文首次对布拉格波长为1310nm 的多模光纤光栅的传感特性进行了研究,并针对其多峰结构的特点,提出了利用多模光纤光栅制造传感器的新设想及新的解调应用前景。
2 光纤光栅的温度特性理论分析光纤光栅反射光的布拉格波长λB满足如下关系:λB=2n effΛ,(1)式中,Λ为栅距也称光栅周期,n eff为光栅区的有效折射率。
当光栅温度发生变化时,光栅的折射率和光栅的周期都会发生变化,从而形成了一个具有新的折射率调制和新的周期的光栅,使得原来光纤光栅的布拉格波长发生漂移,布拉格波长随温度变化的关系为[6,7]Δλ=(α+ξ)・ΔT・λB,(2)温度灵敏度公式为Δλ/ΔT=(α+ξ)λB,(3)式中,Δλ表示温度变化造成的λB漂移幅度;α为光纤材料的热膨胀系数,描述栅距随温度的变化;ξ为热光系数,描述光栅的有效折射率随温度的变化;ΔT为温度变化量。
Δλ与ΔT之间呈现线性关系,通过测量光纤光栅反射波长的移动Δλ,便可确定光栅外的环境温度。
对于石英光纤通常α为0.55×10-6℃-1,ξ为7×10-6℃-1,通过计算得到布拉格波长为1310nm多模光纤光栅的温度灵敏度为0.01nm/℃。
多模光纤光栅的反射波为多峰结构,并满足下列关系[4,8]:β=2πλn11-4ΔN+1V,(4)β为传播常量;n1为芯径的折射率;Δ为相对折射率之差;N为主模的阶数;ν为归一化频率(ν= 2παNA/λ)。
(4)式根号中第二项比1小得多,数值孔径NA=n12Δ,当满足布拉格条件时有β=π/Λ。
通过对(4)式进行微分化简整理后可得到dλd T =λ22n1Λ2dΛd T+λ22n21Λ-λ2(N+1)(2n1-n2)2παn212n1(n1-n2)d n1d T+λ2(N+1)2παn12n1(n1-n2)d n2d T.(5)对掺锗的石英光纤d n1/d T和d n2/d T在波长为589nm时为1×10-5℃-1。
热膨胀系数α=(dΛ/d T)/Λ为0.55×10-6[1,9]。
参照以上数据,可得到(5)式右边第一项要比第二项和第三项小一个数量级。
这说明对温度灵敏度的影响受折射率的变化要比热膨胀显著。
文献[7]推导的方程计算得到温度灵敏度dλ/d T随N的变化最大不超过1.3%。
本文对(4)式重新进行推导得到方程(5)式,经过计算得到温度灵敏度dλ/d T随N的变化最大不超过0.07%。
因为这些值很小,所以各模式反射波的温度灵敏度几乎是一样的,即多模光纤光栅的多个反射峰的布拉格波长随温度变化的漂移幅度是相同的。
3 实 验3.1 实验过程实验采用长飞光纤光缆公司生产的渐变型多模光纤,纤芯直径为50μm,数值孔径为0.2,包层直径为125μm。
为了提高多模光纤的光敏性,将多模光纤置于氢气高压器中,在常温下渗氢(载氢)两周。
我们采用相位掩模板复制法制作多模光纤光栅,写入光栅的紫外光源为波长248nm的准分子激光器(德国Lambda Physik公司的COMPEX150T型)。
多模光纤光栅写好后在80℃温度下退火48h就得到实验用的多模光纤光栅。
温度传感特性的实验装置如图1所示。
光源为1300nm的超发光二极管(S LE D),型号为5S423,带宽为50nm左右,功率为100μW;OS A(O ptical s pectrum analyzer)为AQ26317B光谱仪,波长分辨率设置为0.05nm。
光纤布拉格光栅置于恒温控制箱中。
光源发出的宽带光经光分路器(coupler)耦合进多模光纤光栅,光栅反射回来的光再经过光分路器传输到AQ2 6317B光谱仪进行反射数据检测;或者从光纤光栅的另一端直接接入光谱仪,进行透射数据检测。
671 光 学 学 报 24卷 Fig.1Schematic diagram of measurement temperature.SL ED :superluminescent diode 实验中,将19℃作为温度起点,控制恒温箱的温度,使箱内温度逐渐升高,温度每升高10℃让恒温控制箱温度恒定,分别测量透射图谱与反射图谱,并记下三个反射峰的布拉格波长,恒温箱的温度控制范围19～200℃。
由反射图谱测得的三个反射峰的布拉格波长和透射测得的三个反射峰的布拉格波长基本相同,故本文只采用透射图谱的数据进行分析。
3.2 实验结果分析与讨论实验结果如图2、图3所示。
Fig.2Transmission spectrum of FB G at different temperature.(a )T =19℃,(b )T =200℃Fig.3Tansmission spectrum of FB G at different temperature.(a )T =19℃,(b )T =200℃ 从图2、图3中可以看出:每一多模光纤光栅有明显的3个反射峰,其中1#多模光栅反射峰1、2、3的布拉格波长分别由1310.26nm 、1309.66nm 、1309.14nm 变为1312.00nm 、1311.46nm 、1310.94nm ,相同温度下,各反射峰之间的间隔基本为0.5nm ;2#多模光栅反射峰1、2、3的布拉格波长分别由1310.42nm 、1309.90nm 、1309.38nm 变为1312.20nm 、1311.64nm 、1311.12nm ,相同温度下,各反射峰之间的间隔基本为0.5nm 。